微通道換熱技術(shù)在臥式冷凍柜中的應(yīng)用

劉高飛 陳國良

（海信家電集團股份有限公司，廣東 順德 528303 ）

0 引言

換熱器是制冷系統(tǒng)主要的傳熱部件，換熱器的好壞直接影響了系統(tǒng)的綜合性能。目前高端立式冷藏陳列柜的制冷系統(tǒng)大多采用銅管鋁翅片蒸發(fā)器和冷凝器，管徑普遍采用的是直徑7 mm及以上的銅管，隨著銅資源的日益枯竭，電解銅價格日益攀升，造成產(chǎn)品制造成本居高不下，系統(tǒng)銅材的替代問題引起了行業(yè)領(lǐng)域的普遍關(guān)注[1]。鋁作為銅材的替代品之一，其價格對穩(wěn)定、低廉，采用微通道換熱器，可以減少對銅材的依賴，緩解銅材漲價造成的成本壓力。微通道換熱器具有高傳熱系數(shù)、高表面積-體積比、低傳熱溫差、低流動助力等優(yōu)勢，正逐步應(yīng)用于商用、家用制冷行業(yè)。

1 微通道換熱器簡介

微通道，也稱為微通道換熱器，就是通道當(dāng)量直徑在10 μm～1 000 μm的換熱器。它由集流管、多通道扁管和百葉窗翅片3個部分組成，集流管將不同根數(shù)的扁管組合成一個流程，由不同流程組成冷凝器。集流管起分流和合流的作用，同時也是整個冷凝器的結(jié)構(gòu)支架。制冷劑進入微通道冷凝器后，與傳統(tǒng)單進單出冷凝器的區(qū)別在于：微通道冷凝器中制冷劑由聯(lián)接管道首先進入分流集流管[2]，然后分流至各制冷劑扁管與空氣進行傳熱，最后到合流集流管合成一路，進入下一流程的分流集流管，如圖1所示。

2 微通道換熱器的主要優(yōu)點

微通道換熱器的集流管中有隔片隔斷，每段管子數(shù)量不同，呈逐漸減少趨勢，制冷劑剛進冷凝器時呈氣態(tài)，比容大，管子數(shù)也較多，隨著制冷劑被冷凝成液體，比容變小，需要的扁管數(shù)也相應(yīng)減少，這樣布置能夠降低制冷劑側(cè)的壓降，以此保證制冷劑在冷凝器后半段時仍保持較高的流速和換熱系數(shù)[3]。該變流程的設(shè)計，可以使冷凝器有效容積得到最合理的利用。銅管鋁翅片換熱器在空氣吹過管道時，通常在管后側(cè)形成渦旋死區(qū)，換熱面積減小，換熱性能受到了一定的限制，而微通道換熱器，由于運用了扁管，扁管厚度小于銅管，減小了管后側(cè)渦旋死區(qū)，且扁管換熱長度長于銅管，延長空氣流經(jīng)扁管的時間，增大了換熱器空氣側(cè)換熱效率，如圖2 所示。

在相同運行工況下，制冷劑冷凝溫度和壓力較低，制冷劑流動和換熱增強，總換熱能力有了提高，在相同迎風(fēng)面積下，微通道換熱器制冷劑側(cè)壓降降低，僅為銅管鋁翅片換熱器的20%～30%。整體換熱性能比銅管鋁翅片換熱器高出30%以上。

圖1 微通道換熱器示意圖

圖2 空氣側(cè)流程圖

3 微通道換熱器在臥式冷凍柜上的應(yīng)用

根據(jù)國標要求，臥式冷凍柜的主要性能指標有耗電量、儲藏溫度、拉溫速度、冷凍能力等，這幾個指標的好壞直接影響到冷柜的品質(zhì)和性能，從而影響冷柜的產(chǎn)品競爭力。

要想提升冷柜的性能，在控制成本的前提下，最有效的方式就是優(yōu)化換熱方式，提升散熱性能，常見的換熱器有蛇管冷凝器、翅片冷凝器、絲管冷凝器、微通道冷凝器，其中蛇管冷凝器和絲管冷凝器換熱效率相對較低，不能滿足性能要求高、換熱量大的產(chǎn)品的要求，只能使用換熱性能更好的翅片冷凝器和微通道換熱器，尤其對于容積超過500 L的臥柜來說，冷凍能力是一個非常重要的指標，如果冷凍能力小，用戶在使用過程中，會經(jīng)常出現(xiàn)柜內(nèi)食品凍壞的現(xiàn)象，嚴重影響了客戶對產(chǎn)品的認可度，也對售后維修產(chǎn)生非常不利的影響。

為了對比2種換熱器的優(yōu)劣利弊，以下實驗將用到的BD-520臥式冷凍柜如圖3所示。

根據(jù)標準要求，選定的臥式冷柜產(chǎn)品BD-520，滿足國標3級能效，需要做到耗電量值為1.57 kWh/24 h，分別配用翅片冷凝器和微通道冷凝器，進行測試，并對測試結(jié)果進行分析。

圖3 BD-520臥式冷凍柜

3.1 拉溫試驗對比

空載條件下，分別使用翅片冷凝器和微通道冷器，在3個箱體上進行測試，測試結(jié)果見表1。

表1 40℃空載拉溫測試結(jié)果（測溫點位置：1/2 h）

從表1的測試結(jié)果可以得出：

使用翅片冷凝器，空載最低溫度的平均值為：

（-29.3-29.5-29.7）/3= -29.5℃；而使用微通道換熱器，耗電量平均值為：（-31.5-31.0-31.7）/3= -31.4℃。

因此，同等條件下，使用微通道冷凝器比翅片冷凝器，空載最低溫度能降低約1.1℃。

3.2 能耗測試對比

分別使用翅片換熱器和微通道換熱器，在3個箱體上進行能耗對比，測試結(jié)果見表2。

表2 25℃耗電量（冷凍）測試結(jié)果（單位：kW·h/24 h）

從表2的測試結(jié)果可以得出：使用翅片冷凝器，耗電量平均值為：（1.690+1.701+1.692）/3=1.694 kW·h/24 h；使用微通道換熱器，耗電量平均值為：（1.549+1.565+1.540）/3=1.551 kW·h/24 h。

因此，在同等條件下，使用微通道冷凝器比翅片冷凝器，能耗降低約：

（1.694-1.551）/1.694×100%= 8.4%。

3.3 儲藏溫度測試對比

分別使用翅片冷凝器和微通道冷凝器，在3個箱體上進行儲藏溫度對比，測試結(jié)果見表3。

表3 40℃儲藏溫度儲藏溫度測試結(jié)果

從表3的測試結(jié)果可以得出，在溫度相同的條件下，使用微通道冷凝器比翅片冷凝器，在40℃環(huán)境下做儲溫測試，壓縮機開停比（按百分比）降低約：（69.5+70.9+70）%/3-（64.3+65.2+64.0）%/3=5.6%。

3.4 冷凍能力對比

分別使用翅片冷凝器和微通道冷凝器，在3個箱體上進行冷凍能力測試，測試結(jié)果見表4。

表4 25℃冷凍能力測試結(jié)果（負載42 kg到達-18℃）

從表4的測試結(jié)果可以得出，使用翅片冷凝器，3臺樣機冷凍能力折合成24 h冷凍能力分為：39.1 kg/24 h，38.8 kg/24 h，39.4 kg/24 h，平均冷凍能力為：（39.1+38.8+39.4）/3=39.1 kg/24 h。

使用微通道換熱器，3臺樣機冷凍能折合成24h冷凍能力為：44.2kg/24h，43.8 kg/24h，44.6 kg/24h，平均冷凍能力為 ：（44.2+48.8+44.6）/3=44.2 kg/24h

因此，使用微通道冷凝器比翅片冷凝器，冷凍能力明顯提升，提升比例為：

（44.2-39.1）/44.2×100% =11.5%。

3.5 冷凝器溫度對比

在40℃高溫環(huán)境下，分別測試冷凝器出口溫度，來定性估計冷凝器的散熱性能。冷凝器溫度測試結(jié)果見表5。

表5 兩種換熱器冷凝溫度測試結(jié)果（40℃環(huán)溫）

從表5的測試結(jié)果可以得出，同等環(huán)境溫度下，使用微通道換熱器比使用翅片換熱器，冷凝器溫度下降了約2℃。

4 結(jié)語

通過對比分別使用2種冷凝器測試數(shù)據(jù)可知，微通道冷凝器具有更高效的換熱效率，冷凝器出口溫度、能耗、壓縮機開停比以及冷凍能力等方面都具有明顯的優(yōu)化，同時具有微通道尺寸小，重量輕，成本低等優(yōu)點，在當(dāng)前節(jié)能減排的大背景下，微通道散熱器必將在制冷設(shè)備各個領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。